文獻標(biāo)識碼: B
文章編號: 0258-7998(2011)02-0078-04
利用超聲波對路橋等建筑進行結(jié)構(gòu)檢測時通常都需要在大空間范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是將遠端各個傳感器的模擬信號通過電纜引入近端數(shù)據(jù)采集板卡,由具有多路A/D轉(zhuǎn)換功能的數(shù)據(jù)采集板卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并送入上位機。長距離的傳輸模擬信號容易引入較大的噪聲,降低系統(tǒng)的精度。隨著嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,可以將數(shù)據(jù)采集節(jié)點直接放在各個傳感器附近進行數(shù)據(jù)采集,將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號通過TCP/IP協(xié)議傳入中心控制節(jié)點。本文設(shè)計了一個基于TCP/IP協(xié)議的高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)以TMS320VC5X系列的DSP器件為主控芯片,可以進行大空間范圍的高精度數(shù)據(jù)采集。另外,超聲回波信號通常具有較大的動態(tài)范圍,基于傳統(tǒng)運放的放大技術(shù)不能對信號的動態(tài)范圍進行限制,這使得A/D轉(zhuǎn)換的精度降低。本文提出了一種基于預(yù)采樣的自動增益電路,可以將輸入信號調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器的最佳輸入范圍內(nèi),提高了A/D轉(zhuǎn)換的精度。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計和性能
1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計
本系統(tǒng)分為中心控制節(jié)點和若干數(shù)據(jù)采集節(jié)點。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu),節(jié)點間以TCP/IP協(xié)議進行通信。系統(tǒng)開始工作后首先由中心節(jié)點以UDP廣播報的形式向所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)出開始采集命令,數(shù)據(jù)采集節(jié)點接到命令后同步開始數(shù)據(jù)采集,采集完一個包的數(shù)據(jù)后按照預(yù)定的格式以UDP報的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心控制節(jié)點。為解決總線型結(jié)構(gòu)通信中常遇到的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,本系統(tǒng)將每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點所發(fā)送的第一個包設(shè)計為不同的長度,分支節(jié)點1在采集完n1個點后發(fā)送,分支節(jié)點2在采集完n2個點后發(fā)送,…分支節(jié)點N在采集完nN個節(jié)點后發(fā)送。以后的數(shù)據(jù)包都是等長的,這就分散了網(wǎng)絡(luò)的負載,使得發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵的幾率大大降低[3]。中心控制節(jié)點負責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)保存入SD卡中。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)
根據(jù)實際需要,本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下:(1)數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù) 1~48道可調(diào);(2)每個通道最大采樣率:大于100 KS/s;(3)采樣精度:24位;(4)道間串?dāng)_抑制比:大于70 dB;(5)采集信號動態(tài)范圍:120 dB; (6)每通道的最大傳輸速率:10 Mb/s;(7)儀器噪聲:最大15 μV。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用TMS320VC5402A DSP芯片作為主控芯片,其最高處理能力可以達到160 MIPS,具有16 K×16 bit的片上RAM,片上配置了3個多通道緩沖串口(可配置為SPI模式),具有快速的中斷響應(yīng)能力,同時具有多種低功耗模式,這些特性滿足了系統(tǒng)實時性和低功耗的要求,同時其價格相對低廉,有利于降低系統(tǒng)的成本。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7767,AD7767采用SPI接口,最高采樣頻率可達128 kS/s,在最高工作頻率下的功耗僅為15 mW。網(wǎng)絡(luò)通信芯片采用RTL8019AS芯片,將RTL8019AS芯片的AUI接口與同軸電纜驅(qū)動芯片DP8392連接,可實現(xiàn)基于10Base2的細同軸電纜通信。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的框圖如圖2所示。
2.2 自動增益模塊設(shè)計
在很多場合下,例如超聲檢測,地質(zhì)勘探都需要達到很高的采集精度,目前的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片實際上并不能真正的達到24位,同時輸入的模擬信號往往具有很大的動態(tài)范圍,不能處于A/D轉(zhuǎn)換芯片的最佳轉(zhuǎn)換范圍,因此,本系統(tǒng)采用了基于預(yù)采樣和可編程放大器的自動增益電路,以提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度。前端自動增益模塊的框圖如圖3所示。
要采集的模擬信號首先經(jīng)過放大倍數(shù)為1的高精度運放OPA227,以提高信號的輸入阻抗,減小A/D轉(zhuǎn)換器對信號的影響。然后將信號送入8位的高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510,進行預(yù)采樣,將轉(zhuǎn)換完的結(jié)果送入CPLD進行編碼,小信號對應(yīng)較大的放大階碼,大信號對應(yīng)較小的放大階碼。用此放大階碼控制可編程增益放大器PGA103,達到自動增益的目的。同時DSP讀取CPLD產(chǎn)生的放大階碼,和AD7767采得的數(shù)據(jù)一起保存,提高采集的精度。
2.3 中心控制節(jié)點的設(shè)計
中心控制節(jié)點主要實現(xiàn)控制各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點、接收采集的數(shù)據(jù)并保存入SD卡的功能。中心控制節(jié)點的設(shè)計框圖如圖4所示。
由于中心控制節(jié)點要承擔(dān)較為繁雜的控制任務(wù),并且要保存較大的數(shù)據(jù), 所以它的主控芯片采用TMS320VC5509 ADSP芯片。TMS320VC5509A可以在200 MHz的主頻下穩(wěn)定工作,具有128 KB的片上RAM,同時可以擴展4 M×16 bit的片外SDRAM,具有支持SD模式和DMA傳輸?shù)腟D卡控制器,有利于系統(tǒng)的集成,減小系統(tǒng)的體積。網(wǎng)絡(luò)通信接口的設(shè)計與數(shù)據(jù)采集節(jié)點相同。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 中心控制節(jié)點軟件設(shè)計
中心控制節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括兩點,一是控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點的開始與停止,二是接收并保存數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的通信采用的是基于面向無連接的UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議,并且系統(tǒng)所掛的分支數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)是可選擇的,所以為了確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和確定系統(tǒng)所掛的分支節(jié)點數(shù),在工作開始的階段增加了一個握手的過程。首先數(shù)據(jù)采集節(jié)點在上電初始化后向中心節(jié)點發(fā)送建立連接請求,中心節(jié)點在接收到連接請求后保存該節(jié)點的IP地址,并檢測是否有足夠的內(nèi)存資源,若內(nèi)存夠,則向相應(yīng)節(jié)點發(fā)送連接成功數(shù)據(jù)報,若內(nèi)存資源不夠,則發(fā)送連接失敗數(shù)據(jù)報。握手過程進行后中心控制節(jié)點發(fā)送開始采集廣播報,隨后各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點開始數(shù)據(jù)采集。為了及時接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù),中心節(jié)點將接收子程序放入中斷中,在非中斷期間進行SD卡的寫操作。中心控制節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示。為了保證系統(tǒng)的實時性,在對SD卡的操作中并未應(yīng)用文件系統(tǒng),而是將DSP中各個緩沖區(qū)的內(nèi)容依次寫入SD卡的相鄰地址中,這樣若系統(tǒng)所掛的數(shù)據(jù)采集節(jié)點為N個,則第i個節(jié)點的兩幀數(shù)據(jù)中間相隔N-1個數(shù)據(jù)幀。在讀取SD的上位機中編寫相應(yīng)的軟件便可正確讀取每一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)。
3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計
3.2.1 數(shù)據(jù)格式的設(shè)計
每一個采樣點的數(shù)據(jù)采用32位長整形來存儲,包括24 bit的A/D采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果,4 bit的放大階碼,其余位用0填充。UDP報除去數(shù)據(jù)鏈路層的包頭,有效的負載為46~1 500 B,再除去UDP的首部8 B和IP的首部20 B,這樣一個UDP幀的有效最大負載為1 472 B。因為在中心節(jié)點寫入SD卡的過程中沒有采用文件系統(tǒng),所以需要在數(shù)據(jù)幀中添加必要的輔助信息,為此在每個包后附加一個8 bit的節(jié)點號信息和和一個24 bit的數(shù)據(jù)包號信息,這樣除每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送的第一幀為避免沖突而采用不同的幀長度外,每一個UDP幀發(fā)送45個采樣點的數(shù)據(jù),具體的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。
3.2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點工作流程
數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括按照中心控制節(jié)點的命令進行采集以及將采集到的數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送到中心控制節(jié)點。首先在上電初始化后,和中心節(jié)點進行握手,握手成功后,等待開始采集命令,接到開始采集命令后開始采集,在A/D轉(zhuǎn)換完成中斷中進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和放大階碼的讀取,在非中斷期間發(fā)送數(shù)據(jù)到中心控制節(jié)點。由于A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出兩次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時間間隔較小,并不能保證在這段時間中數(shù)據(jù)被完全發(fā)送,新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可能會覆蓋掉未發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此采用“乒乓”操作技術(shù),在分支節(jié)點的DSP中開辟兩個發(fā)送緩沖區(qū),當(dāng)一個發(fā)送緩沖區(qū)滿的時候?qū)/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入另一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),同時發(fā)送此緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。這樣,數(shù)據(jù)只要在兩個緩沖區(qū)同時寫滿之前發(fā)送完成就不會造成數(shù)據(jù)的丟失。具體的流程圖如圖7所示。
4 實驗結(jié)果及結(jié)論
為了驗證本系統(tǒng)的性能,對已知的正弦波信號源進行采集,并和MPS-140801多路數(shù)據(jù)采集卡進行對比。MPS-140801采集卡在一塊板卡上集成了八路數(shù)據(jù)采集通路,將遠端傳感器的模擬信號引到近端經(jīng)過放大后進行采集。
實驗時數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x為50 m。測試信號是峰值為2 V,頻率為20 kHz的正弦波。
圖8為本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集結(jié)果,圖9為MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的采集結(jié)果。
通過采集到的波形可以明顯看出,經(jīng)過長距離的傳輸后,MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)混入了較多的噪聲。計算得出本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信噪比比MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的信噪比提高了近20 dB,從而驗證了本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡具有較高的精度。
本文設(shè)計的基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)娜虜?shù)字化,同時采用基于預(yù)采樣的自動增益處理技術(shù),大大提高了系統(tǒng)的精度,從而具有較高的實用價值。
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